一种按需采集的煤矿设备工况音检测的装置_新闻_

恶劣工况强悍设备内蒙古矿区的雷沃FR480E挖掘机军团

冯新军++徐永++冯晓哲++邵振

摘要：在煤矿综合自动化系统中用数字化拾音器来检测无外部动作的设备开/停时的设备工况音，并通过网络将数字化的工况音传送到地面，用喇叭来播放工况音，以辅助操作人员识别该设备是否正常开启与停机。现有的矿山设备工况音检测装置采用了普通的音频检测传输技术，不论是否需要，都进行工况音信号采集与传输，造成不需要工况音时，网络上也有数字化音频传输，占用了大量的网络流量。本文提出一种按需采集的煤矿工况音检测装置，只在需要时将远程设备启/停工况音采集传输到地面，平时并不传输工况音，这样大量减少了网络上不必要的流量。

关键词：工况音；按需采集；流量

中图分类号：TD53 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0167-02

1 前言

煤矿综合自动化系统采用工业以太网作为主干传输网络，各种监测监控信号、语音信号、视频信号等均通过工业以太网平台进行传输。显然，在这种信息综合传输过程中，有效控制网络中的数据流量，提高网络的实际使用效率是很重要的[1]。综合自动化中对于设备的远程控制，常通过工业电视来监测设备的工况，如皮带的启停、采煤机的启停等。但对于某些设备，如风机、水泵等设备，由于他们属于内部旋转的设备，外部看不到动作，不能用工业电视来监视这些设备是否已经开启与停机。为此，近年来发展出了用拾音器来检测这类设备开启与停机时的设备工况音，并通过网络将数字化的工况音传送到地面，在地面用喇叭来播放工况音，用来辅助操作人员识别该水泵是否正常开启与停机[2]。显然，工况音信号只是在设备开启与停止时使用，平时一般不需要。然而，现有的矿山设备工况音检测装置采用了普通的语音频检测技术，不论是否需要，都进行工况音信号采集与传输，造成不需要工况音时，网络上也有数字化音频传输，占用了大量的网络流量。

本文实现了一种煤矿设备工况音按需采集装置，能按地面工作主机的需要对设备开启/停机时的工况音进行有控制的采集、滤波、数字化，并通过煤矿井下工业以太网传输到地面控制室进行播放，用来帮助操作人员了解井下设备的启/停工作状况。这种按需采集方式有效降低了网络平台上的传输流量。

2 按需采集工况音的原理

所谓按需采集就是说在地面主机有需要时才采集与传输被监测监控对象的信号，平时是不需要采集与传输信号的。过去的独立自动化系统是没有这样的需求的。而在煤矿综合自动化环境下，众多系统共用同一个传输平台的，如何有效的控制网络中的传输流量，尽可能少地传输无用的信息就越来越重要。这就对网络上的采集控制设备提出了新的要求。按需采集的设备工况音的技术方案的实现：煤矿设备工况音拾音装置包括以太网接口、拾音器、音频放大器、低通滤波器、控制单元、单片机等组成，如图1所示。

工作过程是：首先由地面的主机通过以太网发出需要采集工况音的控制信号，通过单片机内部相应的采集控制寄存器（ADCON0）进行按需控制采集，同时将控制信号施加到音频放大器和低通滤波器，控制它们开始工作。拾音器拾取设备开/停的工况音信号送到音频放大器进行放大，再由滤波器进行低通滤波处理，其输出信号送到单片机进行AD转换，数字化后的工况音信号在单片机中转换成以太网数据格式，并经以太网接口由煤矿工业以太网传输到地面的控制用主机，主机对接收到的工况音信号进行播放。

ADCON0：A/D控制寄存器的控制字如表1。

其中bit 0 ADON：为采集控制位，1为允许A/D转换；0为不允许A/D转换。单片机接收到允许A/D转换的指令后，通过单片机的RF0口，和控制单元同时将控制信号施加到音频放大器和低通滤波器，控制它们开始工作，均为高电平允许工作。拾音器拾取设备开/停的工况音信号送到可控音频放大器进行放大，再由低通滤波器进行低通滤波处理，该工况拾音装置中使用的可控低通滤波器由uA741模拟集成电路组成，两级RC电路组成滤波网络，截止频率f0=1/2πRC，调节R和C可调节低通滤波器的截止频率，使其满足模拟工况音信号不高于800Hz的要求。

滤波后的音频信号送到单片机进行AD转换，数字化后的工况音信号在单片机中转换成以太网数据格式。单片机采用PIC18F66J60单片机，AD转换和以太网传输由具有以太网控制器的单片机PIC18F66J60系列芯片为主构成，该单片机具有64K闪存程序存储器，39脚I/O口，10Base-T以太网通信。支持IEEE 802.3（TM）兼容的以太网控制器，支持 10Base-T端口，集成了MAC接入层和10Base-T物理层，专用的8KB发送/接收数据包缓冲器SRAM等，并且具有普通单片机的功能，具有11通道的10位模数转换器模块（A/D）和自动采样功能，在实施中只用其中1个通道模数转换。

实际电路中模拟工况音信号送到PIC18F66J60单片机的模拟输入端AN0进行实时数据采集，变成数字信号存在单片机内存中。并通过以太网口TPOUT和TPIN实时传送到工业太网中。根据PIC18F66J60单片机采样频率计算公式，当晶体频率采用Fad=25MHz时，采样频率最高可达250kHz，完全能满足采样频率2kHz以内的工况音信号动态采样的要求。工业以太网通过标准的RJ45接口连接到1：1的脉冲变压器CT，再连接到PIC单片机的TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-四个端口，实现以太网传输。数据化的工况状态音信号经以太网接口由煤矿工业以太网传输到地面的控制用主机，主机对接收到的工况音信号进行播放。

3 使用效果

超化煤矿己经建成了比较完善的综合自动化底层网络及中间层集成系统，矿井通风、排水、供电、运输、主副井提升等十多个子系统均在综合自动化平台上进行传输与监控。过去对水泵房的工况音监测是直接采集与传输到监控室，由监控室通过软件来选择是否播放某个设备的工况间。也就是说，不管监控室是否需要播放工况音，数字化音频都是传输过来的，这造成了大量数据流量的浪费，网络效率不高。

本装置在郑煤集团超化煤矿的井下泵房进行了试用。使用中，拾音器安装在被检测水泵设备附近，工业以太网采用煤矿己有的井上和井下监测控制用工业以太网，主机为普通计算机。在软件的控制下，本装置可以控制采集所需的时间段工况音信号。在主机控制下通过工业以太网采集到的信息如图2所示，图2中上图为水泵正常运行时的工况音波形，可见是比较单调的振动音信号，一般操作工人不太關心这种信号。下图是水泵开启时的信号变化，有明显的设备启动过程中的振动音变化。这是操作工人比较关心的，用来监测水泵启动过程是否正常。

超化煤矿水泵控制过程从地面发出控制指令，到网络上的检测论证到水泵平稳运行，大概在1分钟左右，因此我们设定水泵启动运行工况音监测时间为1分15秒，然后自动停止该水泵工况音的采集与传输。如图2的下图所示。经计算，使用按需采集的工况音装置后，对一台水泵而言，网络流量下降到低于原来的1/1000，表明设备工况音按需采集确实大量降低了网络上不必要的数据传输流量，减轻了网络负担。

4 结语

本文提出一种按需采集的煤矿设备工况音检测装置，用于在煤矿综合自动化环境下，对外部没有明显动作的矿山设备启/停时刻的状态进行监测和网络化传输。本装置实现了煤矿井下设备工况音的按需采集，避免因传输大量不必要的数据而增加网络负担。装置经实际使用，对提高网络使用效率有显著的作用。

参考文献

[1]高益，黄俊伟.网络流量控制的分析与设计[J].北京电子科技学院学报，2008（2）：68-69.